胡余生， 陳 彬,童 童

(1.珠海格力電器股份有限公司,珠海 519000;2.珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術(shù)研究中心有限公司，珠海 519000)

?

繞組跨接式分體雙轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機的研究和設(shè)計

胡余生1,2， 陳 彬1,2,童 童2

(1.珠海格力電器股份有限公司,珠海 519000;2.珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術(shù)研究中心有限公司，珠海 519000)

為解決轉(zhuǎn)子分體式開關(guān)磁阻(S-SR)電機效率提升不理想問題，對繞組跨接式分體雙轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻(DJ-S-SR)電機進行研究。該電機采用內(nèi)外轉(zhuǎn)子單端同軸輸出結(jié)構(gòu)，雙套軸承，避免了雙轉(zhuǎn)子電機常用的懸臂結(jié)構(gòu)可能造成的軸承壽命縮短問題。繞組采用跨接，避免內(nèi)外磁路共軛引起的定子軛部飽和。研究了定子外徑、內(nèi)徑比值，定、轉(zhuǎn)子極弧，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相錯角對性能的影響程度。在同體積下研制3.5 kW的V-SR電機和DJ-S-SR電機，對比實測效率，確認(rèn)了DJ-S-SR電機的性能優(yōu)勢。

開關(guān)磁阻電機;分體雙轉(zhuǎn)子;繞組跨接式

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(以下簡稱SRM)結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，冷卻方便，對高溫等惡劣環(huán)境適應(yīng)性強，還具有控制靈活，可靠性高，容錯能力強等優(yōu)點?；谏鲜鰞?yōu)點，SRM在航空航天、電動車系統(tǒng)以及新能源系統(tǒng)等領(lǐng)域具有應(yīng)用優(yōu)勢，成為各國研究和開發(fā)的熱點[1-8]。磁阻式電動機最早可追溯到19世紀(jì)40年代[7]，隨著電力電子的發(fā)展，SRM系統(tǒng)也不斷完善；近年，SRM新結(jié)構(gòu)的研究成為熱點，格外引人注目的是轉(zhuǎn)子分體式開關(guān)磁阻(以下簡稱S-SR)電機結(jié)構(gòu)的提出。

S-SR電機結(jié)構(gòu)于2002年由英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的B.C Mecrow 教授提出[8],2011年南京航空航天大學(xué)鄧智全教授及其同事在多篇專利及論文中深入闡述[9-10]， 2011年長崎大學(xué)工學(xué)部在日本電機展上展示了S-SR樣機，并將研究成果進行文獻公開。

S-SR電機的磁路結(jié)構(gòu)使其在銅損和鐵損上均具有優(yōu)勢，同時日本學(xué)者在研究S-SR電機時指出其不僅可提高性能，亦能減小單齒徑向力[11-12]，可有效緩解SRM噪聲問題。然而S-SR電機繞組跨距大，因而端部過大，不僅造成了材料的浪費，繞組端部額外的銅耗影響了性能的發(fā)揮，限制了S-SR電機的發(fā)展和應(yīng)用。

本文提出的繞組跨接式分體雙轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻(以下簡稱DJ-S-SR)電機可解決以上問題，首先介紹了該電機結(jié)構(gòu)和特性，其次總結(jié)關(guān)鍵尺寸對電機性能的影響，最后通過實際樣機的對比測試，證明了DJ-S-SR電機的優(yōu)越性和可行性。

1 DJ-S-SR電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 DJ-S-SR電機的結(jié)構(gòu)

圖1給出了DJ-S-SR電機結(jié)構(gòu)示意圖：定子支架通過螺釘固定在機殼上，定子通過安裝孔固定在定子支架的臂上，定子支架布置有大軸承和小軸承共兩套，轉(zhuǎn)軸同內(nèi)轉(zhuǎn)子緊固為一體，可旋轉(zhuǎn)的布置在小軸承的內(nèi)圈；外轉(zhuǎn)子支架同外轉(zhuǎn)子通過焊接方式固定為一體， 可旋轉(zhuǎn)的布置在大軸承的外圈，外轉(zhuǎn)子支架的尾端通過過盈或內(nèi)外花鍵的方式緊固在軸上，即實現(xiàn)了內(nèi)外轉(zhuǎn)子同軸輸出轉(zhuǎn)矩，軸伸端通過電機支撐端蓋的軸孔伸出，電機的引出線通過機殼引出，軸同機殼之間以及外轉(zhuǎn)子支架同機殼之間采用潤滑脂或油封密封，機殼外部具有凸緣結(jié)構(gòu)用于固定在使用設(shè)備上。

圖1 DJ-S-SR電機結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子均為分體結(jié)構(gòu)，由多個扇形導(dǎo)磁塊均勻地固定在不導(dǎo)磁支架上形成整體。各個導(dǎo)磁塊在圓周方向存在用于隔磁的距離；其中，各內(nèi)轉(zhuǎn)子塊通過T型槽固定在不導(dǎo)磁支架上，各外轉(zhuǎn)子塊焊接固定在外轉(zhuǎn)子支架上。

定子具有內(nèi)層槽和外層槽，每個槽、齒均徑向相背，槽內(nèi)布置繞組，內(nèi)外層齒共軛。

令內(nèi)、外層槽數(shù)均為Ns、內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的塊數(shù)均為Nr，電機相數(shù)為m，遵守以下關(guān)系：

(1)

定子繞組為集中卷結(jié)構(gòu)，元件的兩個圈邊分別布置在周向相鄰的內(nèi)層槽和外層槽中，繞組端部斜跨在定子軛部上，各相繞組周向依次排布。相比繞組元件的兩個圈邊布置在徑向相對的內(nèi)、外層槽中的繞制方式，跨接式繞組使定子軛部的磁力線沿周向鋪開，消除了磁力線的“共軛”現(xiàn)象(如圖2所示)，故而在其他設(shè)計相同的情況下，可將軛部厚度減薄近一半，減薄軛部的空間可用于增加用銅量降低銅損或用于減小電機體積。

(a)共軛(a)不共軛

圖2 磁力線共軛及不共軛情況對比

1.2 DJ-S-SR電機的工作原理

圖3 電感及相電流隨轉(zhuǎn)子位置示意圖(A相)

圖4示意了DJ-S-SR電機在0°，12°，30°，45°時的轉(zhuǎn)子位置圖及主磁通磁力線。運行過程如下：0°時，A相開始導(dǎo)通，磁阻效應(yīng)引起的磁拉力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；12°時，電感大幅增加，A相電流達到穩(wěn)定狀態(tài)；30°附近，B相開始導(dǎo)通，A相開始關(guān)斷，進入續(xù)流狀態(tài)；45°時，A相續(xù)流完畢，電流為零，B相重復(fù)A相過程， C相重復(fù)B相過程，如此反復(fù)，達到轉(zhuǎn)矩的連續(xù)輸出。

(a)0°(b)12°(c)30°(d)45°

圖4 不同轉(zhuǎn)子位置下轉(zhuǎn)子平面示意圖

2 磁路特性分析

圖5 V-SR電機結(jié)構(gòu)及等效磁路圖

圖6 簡化后的DJ-S-SR電機結(jié)構(gòu)及等效磁路

V-SR電機為并聯(lián)磁勢結(jié)構(gòu)，由圖5可得：

(2)

DJ-S-SR電機為分立式磁勢結(jié)構(gòu)，由圖6可得：

(3)

(4)

令槽面積與槽內(nèi)導(dǎo)體數(shù)N相同，輸入相同的電流i時：

(5)

(6)

通常鐵心磁壓降占比小，從式(2)～式(4)可看出φ12≈φ3=φ4。式(2)、式(3)、式(4)分別代入式(5)和式(6)可以看出：即使在考慮鐵心磁壓降以及磁路飽和因素時，相同的輸入下，DJ-S-SR電機的輸出轉(zhuǎn)矩仍大于V-SR電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

3 電機設(shè)計研究

為保證電機的出力及啟動性能，DJ-S-SR電機需滿足以下：

(7)

(8)

(9)

式中：βsi,βso,βri,βro表示內(nèi)定子齒、外定子齒，內(nèi)轉(zhuǎn)子塊、外轉(zhuǎn)子塊的極??；Zs,Zr分別表示定子、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。

除此之外，為獲得較高的凸極比，隔磁距離通常需要大于20～30倍的氣隙長度[13]。

由于DJ-S-SR電機結(jié)構(gòu)的特殊性，定子內(nèi)外徑比值、定轉(zhuǎn)子極弧、內(nèi)外轉(zhuǎn)子錯開角等參數(shù)對電機性能的影響尤為關(guān)鍵。

設(shè)計一款三相6-4結(jié)構(gòu)DJ-S-SR電機，目標(biāo)如下：外轉(zhuǎn)子外徑139 mm，疊高80 mm，額定功率3.5 kW，額定轉(zhuǎn)速3 600 r/min；考慮到電頻率高達240 Hz，采用 B35A300硅鋼片材料。仿真模型如圖7所示。

圖7 有限元仿真模型

3.1 定子外徑內(nèi)徑比值Di2/Di1對性能影響仿真分析

Di2/Di1較小時，即定子外徑過小或者內(nèi)徑過大時，此時由于定子槽面積被壓縮，使得電阻增加，銅耗占比上升；同時定子軛部磁密增加，導(dǎo)致鐵損亦增加；Di2/Di1較大時，即定子外徑過大或者內(nèi)徑過小時，主要由于內(nèi)轉(zhuǎn)子的隔磁距離受外徑減小而下降，內(nèi)轉(zhuǎn)子的效率下降引起總體輸出效率下降，亦銅耗占比上升；此外，Wr1/Wr2的下降使得轉(zhuǎn)子磁密過大，轉(zhuǎn)子磁路飽和，鐵損增加；圖8給出了Di2/Di1對性能的影響，當(dāng)Di2/Di1的取值為1.9～2.3時，電機整體效率較高。

圖8 對電機損耗及性能的影響

3.2 定子極弧對性能影響仿真分析

定、轉(zhuǎn)子的極弧設(shè)計對于該電機的性能尤為關(guān)鍵，在滿足隔磁距離大于20～30倍氣隙長度的前提下，固定轉(zhuǎn)子極弧為0.866，得出不同定子內(nèi)極弧系數(shù)在不同的負(fù)載下的曲線如圖9所示。

圖9 不同定子極弧系數(shù)在各負(fù)載下的仿真效率

隨著極弧的增加，其效率先增加后減小，存在最大效率點。分析如下：當(dāng)定子極弧過小時，隔磁距離過大，隔磁效果增加不明顯，反而降低了有效轉(zhuǎn)矩的輸出，電機出力下降；定子極弧過大時，隔磁距離過小，漏磁增加明顯，凸極比下降，電機出力下降。二者均會導(dǎo)致效率的下降。

進一步地，不同的負(fù)載下，其最大效率點對應(yīng)的極弧系數(shù)是不同的，50%，100%，150%負(fù)載下最大效率對應(yīng)的定子極弧系數(shù)分別為0.866,0.800,0.733。

外定子極弧略大于內(nèi)定子極弧，可以在內(nèi)定子極弧的基礎(chǔ)上進行微調(diào)。

3.3 DJ-S-SR電機降轉(zhuǎn)矩脈動仿真分析

SRM的凸極性強，轉(zhuǎn)矩脈動大，影響了該電機的應(yīng)用。相比單轉(zhuǎn)子SRM，DJ-S-SR電機的轉(zhuǎn)矩輸出為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的總成，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子同時達到最小磁阻和最大磁阻位置時，內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩是同時達到峰值和峰谷，此時轉(zhuǎn)矩脈動最大。當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子相錯一定的角度δ，可利用峰-谷互補以降低轉(zhuǎn)矩脈動。如圖10所示，當(dāng)存在δ角時，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩峰值和谷值是錯開的，因此合成轉(zhuǎn)矩的脈動可大幅削減。

圖10 DJ-S-SR電機轉(zhuǎn)子錯位轉(zhuǎn)矩合成示意圖

圖11 DJ-S-SR電機效率η、脈動因數(shù)μ隨δ變化圖

4 試驗研究

為驗證仿真，同體積下試制3.5 kW的V-SR電機和DJ-S-SR電機，電機主要尺寸對比如表1所示，實物圖如圖12、圖13所示。

DJ-S-SR電機由于繞組跨接在環(huán)形閉合的軛部上，需采用環(huán)形繞線機配合導(dǎo)線工裝進行繞制；V-SR電機按照集中繞線方式直接繞制在定子齒上。

表1 DJ-S-SR電機和V-SR電機尺寸對比

圖12 V-SR樣機實物圖

圖13 DJ-S-SR樣機實物圖

此外，考慮到SRM頻率高，諧波豐富，避免轉(zhuǎn)子渦流損耗過大，定轉(zhuǎn)子均采用不銹鋼螺釘緊固；DJ-S-SR電機轉(zhuǎn)子支架同轉(zhuǎn)子塊之間浸漆絕緣處理。

控制器采用自主開發(fā)的開關(guān)磁阻控制器，采用雙閉環(huán)控制策略，如圖14所示；硬件系統(tǒng)核心由數(shù)字控制器、光耦隔離電路、驅(qū)動及功率電路、檢測電路組成[14]。

圖14 DJ-S-SR電機控制示意框圖

DJ-S-SR電機進行實際測試時，采用APC(角度位置控制)和CCC(電流斬波控制)的驅(qū)動方式分別采集樣機波形如圖15所示，從電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定情況來看，低速更適合于采用CCC控制方式，高速更適合于APC控制方式，實驗波形如下。

高速時，采用APC控制，減少開關(guān)次數(shù)，電流較為平滑，降低控制器損耗，IGBT控制主要受位置反饋信號控制；低速時，采用CCC控制，避免電流超調(diào)，使得輸出電流及時跟隨指令電流。IGBT控制主要受電流指令控制。

(a) APC控制

(b) CCC控制

圖15 不同控制方式下電流及繞組電壓波形

測試條件：自制測試工裝，采用Magtrol-14NM磁滯測功機，TM301-308扭矩傳感器，WT1600功率儀進行實際測試,如圖16所示。

圖16 測試現(xiàn)場

測試結(jié)果如圖17、圖18所示。

從圖18可以看出，DJ-S-SR電機在性能上較V-SR電機高出約2%，不僅將S-SR電機相比常規(guī)結(jié)構(gòu)的SRM優(yōu)勢進一步擴大，而且通過繞組的充分利用解決了S-SR電機用銅量過大，端部浪費嚴(yán)重的問題。

圖17 不同電機銅耗占比隨轉(zhuǎn)矩輸出變化圖18 不同電機效率隨轉(zhuǎn)矩輸出變化

5 結(jié) 語

1)本文設(shè)計的DJ-S-SR電機，采用內(nèi)外轉(zhuǎn)子單端同軸輸出結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)可靠、通用性好、轉(zhuǎn)矩脈動可調(diào)的優(yōu)點；

2)通過磁路結(jié)構(gòu)的對比分析，得出分立式磁勢結(jié)構(gòu)具有優(yōu)勢的結(jié)論，為新型SRM結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)；

3)仿真并總結(jié)定子外徑及內(nèi)徑比值，定子極弧，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相錯角對性能影響程度的曲線及最佳設(shè)計點；

4)3.5 kW同體積的V-SR電機和DJ-S-SR電機試制及實測對比，效率提升2%，驗證了該電機的可行性和優(yōu)越性。

[1] MACMINN S R,JONES W D.A very high speed switched reluctance starter/generator for aircraft engine application[C]//Proceedings of the IEEE National Aerospace and Electronics Conference,NAECON 1989,Dayton,OH. IEEE,1989:1758-1764.

[2] RADUNAV,FERREIRACA,RICHTERE.Twochannelswitched reluctance starter generator results[C]//IEEE Transactions on Applied Power Electronics Conference and Exposition,Atlanta，GA.IEEE,1997,1:546-552.

[3] HUSAIN I,RADUN A,NAIRUS J.Fault analysis and excitation requirements for switched reluctance-generators[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion,2002,17(1):67-72.

[4] RICHTER E,FERREIRA C.Performance evaluation of a 250 kW switched reluctance starter generator[C]//Industry Applications Conference，IEEE,1995:434-440.

[5] FERREIRA C A,JONES S R,HEGLUND W S,et al.Detailed design of a 30 kW switched reluctance starter/generator system for a gas turbine engine application[J]．IEEE Transactions on Industry Applications,1995,31(3):553-561.

[6] CHARL P,WINSTON H.Magnetic bearing controls for a high-speed,high-power switched reluctance machine (SRM) starter/generator[C]//Proceedings of the SAE Power Systems Conference,2000:359-367.

[7] 吳建華．開關(guān)磁阻電機設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2000：122-126.

[8] MECROW B C，F(xiàn)INCH J W，EL-KHARASHI E A，et al．Switched reluctance motors with segmental rotors[J].IEE Proceedings-Electric Power Application，2002，149(4)：245-254.

[9] 陳小元，鄧智泉，范娜，等．雙極性分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機[J].電機與控制學(xué)報，2010，14(10)：1-7.

[10] 陳小元，鄧智泉，許培林,等.整距繞組分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機的電磁設(shè)計[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31(36)：109-114.

[11] OYAMA J，HIGUCHI T，ABE T， et al． Novel switched reluctance motor with segment core embedded in aluminum rotor block[J]． Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan，2006，126(4):385-390.

[12] OYAMA J，HIGUCHI T，ABE T，et al． The fundamental characteristics of novel switched reluctance motor with segment core embedded in aluminum rotor block[C]//Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems．IEEE,2005:515-519.

[13] 吳紅星.開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2010：1-5.

[14] 陳小元,彭亦稰．整距繞組分塊轉(zhuǎn)子SRM 控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].微特電機，2012，40(10)：64-65.

Research and Design of the Double Segment Rotor with Winding Jumper Switched Reluctance Motor

HUYu-sheng1,2，CHENBin1,2,TONGTong2

(1.Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai，Zhuhai 519000,China;2.Green Refrigeration Equipment Engineering Research Center of Zhuhai Gree Co. Ltd., Zhuhai 519000,China)

In order to solve the problem that the efficiency of S-SR motor is not ideal, DJ-S-SR motor was studied in this paper. This motor's structure with internal and external rotor, single-ended and coaxial output and double sleeve bearing, can avoid the double rotor motor's bearing life shorten caused by using the cantilever structure. The ministry of the stator yoke's saturation caused by the conjugation of internal and external magnetic circuit was avoided by adopting the winding jumper. How the ratio of stator's outer diameter and inner diameter, the stator and rotor pole arc coefficient, the stagger angle of inner and outer rotor impact on the motor performance were researched. Finally, 3.5 kW V-SR motor and DJ-S-SR motor under the same volume condition were designed and confirmed the DJ-S-SR motor's advantage in efficiency after comparing the efficiency of practical test.

switched reluctance motor; double segment rotor; winding jumper

2016-03-01

TM352

A

1004-7018(2016)07-0008-05